Приблизно півтора роки тому я сказав “Перехід від спорадично-одноразової космонавтики до комерційного освоєння космосу неминуче ініціює зміну логістичних практик. Яка, в свою чергу, змінить буквально все в звичній для нас картині космічних польотів”. Одна з таких змін має шанси перерости стадію прототипу і згодом змінити ситуацію на ринку запусків невибагливих легких вантажів. Крім того, ця технологія може змінити наші уявлення про вигляд і сутність послуг з довиведення комерційних вантажів на цільові орбіти, такого собі міжорбітального каботажу. А ще вона здатна посприяти вирішенню проблеми орбітального сміття.

Напевно багато з вас чули або читали про дивовижний американський стартап з промовистою назвою SpinLaunch. В основі цієї ідеї запуску суб/орбітальних вантажів лежить відомий з прадавніх часів принцип пращі. Під час багаторазового прискореного розкручування пращі, її корисне навантаження (камінець) накопичує кінетичну енергію. Після вивільнення камінець продовжує рух з шаленою швидкістю. 

Багато списів було поламано в обговореннях цього доволі авантюрного проекту, але мою увагу привернула поведінка самої космічної пращі в момент вивільнення корисного навантаження (КН). 

Закон збереження енергії разом із 3-м законом Ньютона стверджують, що в момент запуску сама пускова установка, її станина, рухомі з’єднання і обертове коромисло зазнають потужного динамічного удару. Удар буде такої сили, що зробить увесь стартовий комплекс одноразовим – якщо і не рознесе споруду на щебінку, то понівечить всю пускову механіку. Аби здолати руйнівну віддачу, спеціалісти стартапу передбачили скидання баласту з протилежного від КН боку розгінного коромисла. Тобто, під час роботи SpinLaunch, один вантаж відлітає в космос, інший – в землю. Уявляєте це видовище? На швидкості півтора-два кілометри за секунду масивна болванка зустрічається із чорноземом чи з водою. Красота!

Саме ця феєрична уявна картина змусила замислитися над питанням “Половина корисної роботи втрачається безповоротно, чи можна якось її використати в корисливих цілях?”. Відповіді на це питання у стартаперів я так і не знайшов. Якщо у них все складеться як задумано, виграші від зменшення собівартості космічних запусків будуть такими вражаючими, що на електроенергетичні втрати просто не зважатимуть через їхню мізерність.

Фахові уточнення від пана Олександра Малюка

• 3-й закон Ньютона тільки про те, що при взаємодії двох тіл сила дії дорівнює силі протидії, але нічого не каже про те, що буде після розриву зв’язку апарата з пусковою установкою.
• Твердження “Відкидний баласт, що вивільняється під час відокремлення КН від розгінного коромисла, несе із собою таку саму енергію, як і КН” рівно, тільки у випадку, коли маса апарата, що запускається, дорівнює масі баласту. В інших випадках вірно так: «Відкидний баласт, що вивільняється під час відокремлення КН від розгінного коромисла, несе із собою такий самий імпульс, як і КН«. Тобто для розрахунків тут головний не закон збереження енергії, а закон збереження імпульсу. І завдяки збільшення маси баласту ми можемо вирішити проблему зупинки балансу в земній версії Спінлаунч: КН з меньшою масою забирає з собою більшу частину кінетичної енергії в системі а важкий баланс відповідно отримає меньше енергії і зупинити його буде легше.

На що слід звернути увагу

1. Прототип SpinLaunch вже запускав КН, щоправда поки не в космос
2. Катастрофи не сталося, отже в технічному сенсі ідея і спосіб її реалізації життєздатні
3. Питання динамічного балансування механіки пускового пристрою та його адекватного софт-забезпечення, вирішені в масштабах прототипу
4. Відкидний баласт, що вивільняється під час відокремлення КН від розгінного коромисла, несе із собою таку саму енергію, як і КН. Але летить він в строго протилежному напрямку
5. Для роботи пускового комплексу потрібна лише електрична енергія. Ніякої кріогенної техніки і ніякого пального. Взагалі, жодних витратних мас не потрібно
6. Операційний цикл, або інтервал між повторними запусками, може сягати кільканадцяти хвилин
7. Питання стабілізуючого скидання баласту в момент запуску стартаперами ретельно замовчується. При цьому згадується патент, в якому є начебто все 

Look up

А тепер погляньте вгору і уявіть, що SpinLaunch опинився на низькій навколоземній орбіті (ННО), поруч з великим індустріальним парком, про неминучість побудови якого, я розмірковував раніше. Чи згодиться він на щось? Давайте промоделюємо, і почнемо з роздягання. 

Герметичний кожух пристрою не потрібен, на орбіті Землі всюди вакуум. Масивна станина теж не потрібна, її просто нема до чого прикрутити. Підшипники головної осі обертання краще за все замінити на магнітну підвіску, як частину електродвигуна. Сам двигун зазнає помітних змін, він стане частиною основної конструкції орбітальної пращі. Якщо в центральній частині коромисла розмістити постійні магніти, вона перетвориться на статор електричного двигуна. Ротором стануть магнітні котушки в масивному барабані, що підвішений всередині статора. Можна і навпаки, ротором назвати центральну ступицю пускового коромисла, а статором барабан з котушками — це питання інженерних смаків. Електричний струм, рухаючись дротами котушок буде взаємодіяти з магнітним полем і почнеться обертовий рух. Обертатимуться і ротор, і статор, тільки в протилежні сторони. Як ви розумієте, енергоживлення доведеться брати від Сонця. Підраховувати скільки Сонячних Батарей буде потрібно, і який у них ККД, немає сенсу. Тому що в умовах мікрогравітації, вакуума і відсутності тертя, навіть мала потужність зможе розкручувати SpinLaunch. Потужніші батареї дозволять коромислу просто швидше набирати потрібну кутову швидкість. Для того, аби наш орбітальний SpinLaunch міг працювати з максимально широким спектром КН і швидкостей запуску, доведеться передбачити змінну довжину плечей пускового коромисла. Оптимальним варіантом мені вбачається конструкція з двох довгих паралельних балок, між якими може рухатися вісь обертання у вигляді ступиці-електромотору.

Принцип дії такої орбітальної машини не відрізнятиметься від її наземної сестри. Але є нюанси.

1. геометричні розміри конструкції, а отже і пусковий імпульс, що надаватиметься КН, нічим не обмежені, окрім структурної стійкості матеріалу коромисла. Якщо бажаєте, можете самостійно вирахувати граничні параметри установки, але очевидно, що космічна карусель надаватиме значно більшу швидкість більш масивним вантажам, ніж її наземний аналог. Чуйка підказує, що мова може йти про тони і кілька км/с
2. Ідеальні умови довкілля дозволяють розкручувати коромисло SpinLaunch як завгодно повільно. І, хоча максимальне відцентрове перевантаження може бути дуже великим, швидкість його прирощення можна зробити малою. Це зменшує вимоги до стресо-стійкості елементів КН
3. На відміну від наземних запусків, для КН не потрібно робити захисну конструкцію обтічної форми, адже не буде раптового переходу від майже вакууму до атмосферного тиску

Що і куди запускати?

Вже зараз ми періодично спостерігаємо колективні запуски космічних потягів з десятків різнокаліберних вагончиків-супутників – так звана послуга Rideshare.  Вона відкриває недорогий вихід на орбіту для широкого кола зацікавлених осіб. Але є одне але. Траєкторії усіх “вагончиків” задаються однією ракетою-носієм. Це звужує рамки можливостей учасників запуску або змушує їх самостійно дбати про довиведення своїх апаратів на бажані орбіти. З початком регулярних польотів суперваговоза Starship пропозиції послуги rideshare можуть драматично збільшитися, а ціна виведення на орбіту вантажів зменшитися. Але залежність всіх учасників запуску від траєкторії Starship залишиться. Саме тут може прийти на допомогу орбітальний SpinLaunch. Споживаючи саму лише електрику, він зможе здійснювати довиведення на цільові орбіти кожного окремого супутника. Без додаткового пального чи реактивної маси – в цьому криються можливості отримання прибутку.

Приблизно, я собі уявляю цю схему так. Вантажні варіанти багаторазових космічних кораблів Starship кожним рейсом виводитимуть на орбіту багато різних вантажів. Як власних, так і сторонніх замовників. Значна частина тих вантажів доставлятиметься на низькоорбітальну станцію-склад. Супутники, що очікують виведення на цільові орбіти, переміщуються в установку SpinLaunch. Звідти поодинці, або групами, вони відправляються на потрібні траєкторії. Виключно силою сонячної електрики.

Look down

Ми не забули, що для нормальної роботи SpinLaunch потрібен баласт, який в момент запуску КН має бути відкинутий в протилежний бік. Де на орбіті можна знайти такий баласт? Питання криє в собі відповідь – на орбіті і знайти. Саме те космічне сміття, яким людство засмічує ближній космос з геометрично-прогресивним завзяттям. Я не виключаю варіантів, коли орбітально-клінінговим компаніям буде вигідніше доправляти орбітальне сміття на орбітальну базу індустріального парку для комплексної утилізації. Дещо повиймають зі старих апаратів, що стане в нагоді для поточного ремонту і розвитку орбітальних індустрій. Але завжди залишатиметься якась доля “порожньої породи”, переробка якої буде дорожчою за потенційну вигоду від рециклінгу. Саме такі залишки орбітального сміття можуть стати ідеальним баластом для роботи орбітального SpinLaunch.

Цікаво те, що куди б ми не запускали КН (умовно кажучи, вперед і вгору), баластний пакунок зі сміттям відлітатиме до щільних шарів атмосфери (умовно кажучи, назад і вниз). 

Як ви гадаєте, за умови достатнього рівня розвитку орбітальної індустріально-складської інфраструктури, подібна штука має шанси стати корисною?

А в якості кінетичної орбітальної зброї?

Шпаргалка за темою

Обертальний рух твердого тіла: рівняння, формули